CMC: De la Edad de Piedra a la Nanotecnología

I – La Humanidad y el Uso de los Materiales

Los **materiales** son las sustancias que componen cualquier producto. El ser humano los ha usado desde el comienzo de la civilización para tratar de mejorar su nivel de vida con útiles más eficaces. Pero es a partir de la **Revolución Industrial** cuando se dispara el descubrimiento y la fabricación de nuevos materiales.

1 – Los Materiales en la Historia de la Humanidad

Hasta la Revolución Industrial, la humanidad utilizó los materiales que podía obtener fácilmente de la naturaleza. Pero a partir de ese momento, se producen dos fenómenos encadenados que afectan al uso y consumo de materiales. Por una parte, el desarrollo de máquinas facilita las labores de extracción y procesamiento. Por otra, las innovaciones científicas y tecnológicas permiten el descubrimiento y la fabricación de nuevos materiales.

2 – Localización de Materiales

La mayoría de los materiales se producen en las fábricas, que transforman las **materias primas** en productos elaborados. Hay materiales que se fabrican directamente a partir de recursos naturales y los hay que se fabrican a partir de otros, semielaborados, producidos con anterioridad. Entre las materias primas destacan los recursos minerales metálicos y no metálicos.

2.1 – Técnicas de Prospección y Exploración

La localización de los materiales que se encuentran en la naturaleza es una tarea que requiere unas técnicas denominadas **técnicas de prospección y exploración**. El objetivo de estas técnicas es encontrar y evaluar los yacimientos de materiales útiles y determinar su rentabilidad. Hasta el siglo XIX fueron técnicas muy rudimentarias. Se basaban en la exploración visual del terreno y en las catas a poca profundidad. A partir de ese momento comienzan a usarse técnicas más sofisticadas, como las siguientes:

• El análisis geoquímico de sedimentos, suelos y aguas.
• La detección de la radioactividad emitida por el terreno.
• El análisis de las ondas sísmicas producidas por explosiones controladas.
• Las variaciones locales del campo magnético terrestre ocasionadas por los materiales del subsuelo.
• La medición de las diferencias de conductividad eléctrica de las rocas.
• La utilización de señales eléctricas de alta frecuencia.
• La prospección aérea, mediante satélites dotados de censores específicos.

La mayoría de los yacimientos están ocultos bajo la superficie de la Tierra, y algunos a gran profundidad. Por eso, las técnicas descritas sólo ofrecen indicios más o menos fiables de la existencia de uno u otro material. La interpretación minuciosa de los resultados obtenidos es imprescindible antes de sacar conclusiones definitivas.

3 – Producción de Materiales

La denominación de los materiales depende de su procedencia. Los obtenidos en las minas se denominan **materias primas**. Para explotarlos, se arrancan de la tierra y se separan de los materiales no deseables. El mineral objeto de extracción, se denomina **mena** y el desechable, **ganga**.

Cuando el mineral se encuentra a poca profundidad suele obtenerse en minas de cielo abierto. Cuando se encuentra a cierta profundidad la extracción se realiza construyendo pozos y galerías. Los producidos en las fábricas requieren técnicas específicas que varían según el tipo de material. En la mayoría de los casos se sigue una estrategia que consta de dos etapas:

• Primera etapa: Se calientan los materiales hasta llevarlos al punto de fusión o de conformación plástica.
• Segunda etapa: Se da forma al material por moldeado o laminación y se deja enfriar para que solidifique. El material resultante puede adoptar diversas formas (chapa, varilla, hilo, lingote). Estos productos semielaborados son la base para producir otros.

4 – Clasificación de los Materiales

Hay muchas formas de realizar una clasificación de los materiales. En el ámbito industrial, tienen gran importancia los **materiales metálicos**, que se caracterizan por tener una gran movilidad de electrones en su estructura. Es una característica que determina tanto la conductividad eléctrica como la térmica, y que afecta al riesgo de corrosión.

Metálicos: ferrosos (fundición de hierro, aceros y aceros inoxidables), no ferrosos (aluminio, cobre, magnesio, níquel, plomo, titanio, zinc). Polímeros (plásticos, fibras, cauchos), Cerámicos (ladrillos, tejas, porcelana, vidrio), Otros (papel, madera), Compuestos (materiales compuestos de 2 o más materiales, sin formar aleaciones).

5 – Control de Recursos Naturales

Un **recurso natural** es aquel elemento de la naturaleza que la tecnología permite transformar en algo útil para el ser humano. Los recursos naturales son imprescindibles para la obtención de los materiales que se usan en la vida cotidiana. Teniendo en cuenta que esos recursos son casi siempre limitados y a menudo estratégicos, el control de los mismos ha sido siempre una fuente de conflictos entre diferentes pueblos y naciones. Quien controla los recursos impone precios y domina las relaciones económicas. Por eso con frecuencia las guerras se hacen para asegurarse el control de recursos naturales. Es una causa poco visible, pero clave para entender los motivos que llevan a resolver los conflictos de intereses por la vía armada.

Aplicaciones y Propiedades de Algunos Materiales

Piedra (mármol, granito): pesada, resistente, difícil de trabajar – edificación (paredes, fachadas, suelos, columnas).

Madera (pino, roble, cerezo): buen aislante, fácil de trabajar – muebles, edificación (suelos, vigas, columnas).

Textil (algodón, lana, nailon): fibra animal, vegetal, sintético – flexible, fácil de trabajar, resistente – ornamentos, toldos, tapicería, vestidos.

Cerámica (losa, porcelana): arcilla, arena – dura, frágil – vajillas, ladrillos, tejas.

Metal (cobre, estaño, aluminio): minerales – buen conductor, dúctil, maleable, ligero – aparellaje, automoción, construcción industrial.

Plástico (PVC, metacrilato, porexpan): petróleo – mal conductor, ligero – envases, fontanería, automoción.

II – Los Materiales Más Usados

Los materiales más usados son los metales, los polímeros, las cerámicas y el papel. Los metales conducen bien el calor y la electricidad y se corroen fácilmente. Los otros, en cambio, son buenos aislantes y no se corroen fácilmente.

6 – Los Metales

Los metales en estado sólido forman una estructura cristalina, sus átomos están situados en los nudos de una red regular y definida. Los electrones de estos átomos forman una especie de nube electrónica y gozan de gran movilidad. La mayoría de los metales que utilizamos son **aleaciones**, es decir, disoluciones de un elemento, metálico o no metálico, en un metal. Las propiedades de la aleación resultante son distintas de sus componentes. Los metales se dividen en ferrosos y no ferrosos.

7 – Metales Ferrosos

Son aquellos cuyo principal componente es el hierro. Se caracterizan por su gran resistencia a la tracción y por su dureza. Uno de sus principales problemas es la corrosión. Los metales ferrosos más representativos son: el hierro fundido, el acero y el acero inoxidable.

7.1 – Hierro Fundido

Conjunto de aleaciones ferrosas que contienen principalmente hierro y pequeñas cantidades de carbono y silicio. Sus propiedades varían mucho, dependiendo del tipo de aleación y del tratamiento térmico que lleven. El campo de aplicaciones del hierro fundido es muy amplio, desde carcasas de motores y máquinas herramientas hasta equipos de ferrocarril, pasando por bridas y tuberías.

7.2 – Acero

El acero es una aleación de hierro y carbono. Sus principales características son el bajo coste de obtención y su gran resistencia, rigidez y duración. Adquiere temple (gran dureza) cuando se enfría con rapidez a costa de ganar cierta fragilidad. Los aceros especiales tienen características adaptadas a sus aplicaciones.

7.3 – Acero Inoxidable

El acero inoxidable se diseñó para resistir la corrosión típica del acero. El compuesto principal que se añade es el cromo. A principios del siglo XX fue cuando se desarrolló industrialmente. Actualmente existe una gran variedad de aceros inoxidables.

8 – Metales No Ferrosos

Los metales no ferrosos no contienen hierro. En general tienen menor resistencia a la tracción y menor dureza que los metales ferrosos, sin embargo, son más resistentes a la corrosión. Inicialmente el coste de producción era más elevado que el de los materiales ferrosos, aunque con el perfeccionamiento de las técnicas de extracción y de procesado se ha conseguido disminuir notablemente los costes.

Metales no ferrosos más utilizados:

Aluminio: ligero, blando, poco resistente y difícil de corroer, se usa en la industria aeronáutica.

Cobre: excelente conductor eléctrico y muy dúctil. Para cableado y aparellaje eléctrico.

Magnesio: resistente y más ligero que el aluminio. Se utiliza en aleaciones con otras materias, especialmente el aluminio.

Níquel: maleable y dúctil, resistente a la corrosión, por lo que se suele utilizar para recubrir otros metales.

Plomo: pesado, extraordinariamente dúctil y un buen protector contra las radiaciones electromagnéticas, como los rayos X.

Zinc: se usa fundamentalmente para galvanizar el acero y así protegerlo de la corrosión.

Silicio: es muy abundante. Es la base física de la electrónica de semiconductores.

Titanio: es tan resistente como el acero y pesa un 45% menos. Es uno de los principales materiales en el desarrollo tecnológico actual.

Tántalo: se obtiene a partir del coltán. Es otro material estratégico para las nuevas tecnologías.

9 – La Corrosión

La **corrosión** se define como el deterioro de un material producido por el ataque químico del ambiente que le rodea. Al ser una reacción química, la velocidad a la que se produce depende de varios factores como la temperatura, la concentración de los reactivos que haya en el ambiente, el esfuerzo mecánico al que esté sometido el material y la erosión. Los metales se obtienen transfiriendo gran cantidad de energía a materiales naturales. Esta energía hace que los metales tengan más energía interna que los materiales compuestos de los que se extrajeron. Por eso hay una tendencia espontánea (como es la corrosión) a volver a los estados de menor energía. La corrosión típica de los metales es la corrosión electroquímica. Consiste en el intercambio de electrones con agentes externos, que en los metales se produce muy fácilmente.

9.1 – Prevención de la Corrosión

La corrosión es un proceso destructivo que produce grandes pérdidas económicas y es una causa de riesgos importantes para la seguridad de edificios, máquinas y vehículos de todo tipo. Puede controlarse o prevenirse mediante diferentes métodos. El más común es elegir materiales resistentes a la corrosión en el ambiente donde se van a utilizar. También se combate la corrosión metálica mediante recubrimiento con una película de otro material, como las pinturas y el galvanizado.

10 – Los Polímeros

Los **polímeros** están constituidos por la unión de muchas moléculas pequeñas denominadas **monómeros**. Así se forman cadenas enormes con las formas más diversas. Existen polímeros naturales como el algodón, la seda, la lana, el caucho natural, las proteínas y los ácidos nucleicos. Sin embargo, los más utilizados en la actualidad son de origen sintético como el nailon, el polietileno y el cloruro de polivinilo (PVC). Los polímeros sintéticos más importantes son los plásticos, las fibras y los cauchos.

10.1 – Los Plásticos

Los **plásticos** son polímeros que cuando se les aplica una fuerza suficientemente intensa se deforman irreversiblemente. Hay muchos tipos de plásticos, pero todos ellos pueden incluirse en dos grupos:

• Los termoplásticos: son materiales que para darles forma es necesario calentarlos. Una vez dada la forma, se dejan enfriar, para que esta sea permanente. Si se quieren modificar de nuevo, pueden volver a calentarse cierto número de veces sin que pierdan sus propiedades.
• Los plásticos termoestables: adquieren su forma permanente mediante una reacción química. Posteriormente no se pueden volver a fundir ya que en ese caso se degradan o descomponen.

El uso de los plásticos en la industria es muy amplio. Entre sus ventajas están el bajo coste de fabricación y su peso reducido. Además, son buenos aislantes eléctricos, por eso se usan mucho para fabricar conectores, interruptores y carcasas de componentes, circuitos y equipos eléctricos y electrónicos. El gran problema de los plásticos es que no son biodegradables y por tanto contribuyen a la contaminación medioambiental.

10.2 – Los Cauchos

Los primeros **cauchos** que se usaron eran de origen natural, pero poco a poco, se han ido sustituyendo por caucho sintético que se obtiene a partir de hidrocarburos. Hay muchos tipos de cauchos. Se fabrican cauchos que ofrecen una alta elasticidad y flexibilidad, con resistencia al rasgado y a la abrasión. Además, repelen el agua y son aislantes térmicos y eléctricos. Se usan para fabricar pelotas de golf, calzado, artículos impermeables, neumáticos y suelos.

10.3 – Las Fibras

Las **fibras sintéticas** son polímeros que se usan para fabricar tejidos. Se pueden obtener a partir de carbón, alquitrán, amoniaco, petróleo, y algunos subproductos industriales. Estas fibras resultan elásticas, ligeras y muy resistentes, tanto al desgaste como a la presencia de ácidos u otros agentes externos. La incorporación de un colorante al polímero permite teñir el material antes de su confección, consiguiendo una coloración de mayor calidad que además no destiñe.

11 – Materiales Cerámicos

Los **materiales cerámicos** son sólidos inorgánicos, no metálicos, fabricados mediante tratamiento térmico. Las materias utilizadas tradicionalmente para fabricar cerámicas son las arcillas, feldespatos y el cuarzo, a los que se les añaden algunos aditivos como colorantes y desengrasantes. En la actualidad se utilizan también otras sustancias como el titanio, para obtener propiedades específicas. Las principales propiedades de las cerámicas son gran resistencia mecánica y a la corrosión, y buen aislamiento térmico y eléctrico. Estas cualidades han permitido emplear materiales cerámicos en la industria aeroespacial, en medicina (huesos y dientes), en optoelectrónica (fibras de vidrio, condensadores y láser) y en la energía nuclear (celdas de combustible).

12 – El Papel

El **papel** se obtiene a partir de pasta de papel elaborada con tejidos vegetales. Se descubrió en China en el siglo II d.C. y en el siglo VIII pasó a los árabes, quienes lo extendieron a todas las zonas que fueron conquistando. Con la invención de la imprenta las necesidades de papel crecieron de forma exponencial. A ello se unieron las posibilidades que comenzó a ofrecer la Revolución Industrial, por lo que la fabricación de papel pasó de ser un proceso artesanal a convertirse en industrial. A mediados del siglo XX se produjo una gran transformación en la fabricación del papel. Se incorporaron nuevas técnicas que permitieron por una parte, incrementar la resistencia y por otra impermeabilizar, colorear y mejorar el acabado de las superficies. Además, se introdujeron controles automáticos en el proceso de fabricación.

12.1 – El Futuro del Papel

Para analizar las perspectivas de futuro conviene diferenciar entre los distintos usos que se le da al papel. Por una parte, está el papel que se destina a imprimir documentos de texto o gráficos. Antes de la generalización del ordenador, este tipo de papel se usaba casi exclusivamente en las imprentas. A lo largo del siglo XX, el papel destinado a las artes gráficas creció de forma espectacular. Sin embargo, las perspectivas para el siglo XXI apuntan a una reducción importante de la cantidad de libros, revistas y periódicos impresos en papel. Con la generalización del uso del ordenador y de las impresoras/fotocopiadoras de bajo coste se produjo un fenómeno sorprendente: creció espectacularmente el uso de papel. Los documentos circulan en formato electrónico, pero al final se imprimen, para leerlos después o archivarlos. Es previsible que esta tendencia cambie a medida que mejore la calidad de las pantallas electrónicas. La tecnología para fabricar pantallas electrónicas está evolucionando mucho y en los próximos años podrán leerse en ellas documentos con la misma rapidez y eficacia que en el papel. Y esta es precisamente la gran esperanza para reducir drásticamente el consumo de papel destinado a la impresión de documentos. Pero además el papel tiene otros usos como son la fabricación de pañuelos, servilletas, papel higiénico, envoltorios y cajas. En este tipo de aplicaciones no hay perspectiva de que disminuya el consumo sino que es previsible el aumento considerable.

12.2 – Papel y Deforestación

La **deforestación** es la desaparición de los bosques o masas forestales debido básicamente a la actividad humana. El papel se hace de celulosa y esta se obtiene de los árboles. Si la demanda de celulosa obliga a talar más árboles de los que se puedan reponer, se caminará hacia la deforestación progresiva del planeta. Los bosques regulan el clima local y global mediante la absorción y creación de precipitación y el intercambio de gases atmosféricos. Si los bosques continúan siendo destruidos, los patrones globales del clima pueden volverse más inestables y extremos. Por eso resulta fácil comprender que no debe usarse más papel del necesario, una buena estrategia es el reciclado del papel y el consumo de productos de papel reciclado.

III – Nanotecnología

La **nanotecnología** estudia las propiedades de los materiales a nivel molecular y atómico. Un nanómetro (10^-9 m) equivale a las dimensiones de una molécula pequeña o al tamaño de varios átomos. Por lo tanto, estamos hablando de una tecnología revolucionaria que permitirá aplicaciones asombrosas.

13 – Fundamentos Científicos de la Nanotecnología

La nanotecnología es el conjunto de técnicas que permiten ejercer la ingeniería a nivel atómico. En vez de utilizar tornillos y piezas los componentes son los átomos y las moléculas que constituyen la materia. Eso permite crear estructuras artificiales a nivel nano con propiedades diversas y muy interesantes. Lo esencial de la nanotecnología, su secreto, es la capacidad para generar una gran variedad de estructuras atómicas con una regularidad geométrica perfecta y sin impurezas. La variedad, la regularidad y la ausencia de impurezas confieren a los materiales resultantes unas propiedades sorprendentes. Los avances realizados en la tecnología de materiales están demostrando que hay una estrecha relación entre la ordenación de los átomos y las propiedades de un material tanto para la materia inorgánica como orgánica. La constatación de esta evidencia plantea un doble objetivo: primero, es preciso descubrir qué propiedades de interés pueden obtenerse mediante la modificación en el ordenamiento de los átomos; segundo, es necesario desarrollar métodos que permitan realizar las citadas modificaciones. De la misma forma que en internet están confluyendo la televisión, el teléfono, la radio y la informática, en la nanotecnología van a confluir la ingeniería. Esta convergencia abrirá nuevos horizontes y se prevé una revolución tecnológica muy importante.

14 – Aplicaciones de la Nanotecnología

Una de las primeras aplicaciones prácticas de la nanotecnología fue la **magnetorresistencia gigante**. Descubierta en 1988, apenas diez años después apareció en el mercado el primer disco duro de ordenador basado en este principio. Ello supuso multiplicar 100 o 200 veces su capacidad de almacenamiento. Sus descubridores, Albert Fert y Peter Gruenberg, recibieron el premio Nobel de Física en el año 2007. Las aplicaciones de la nanotecnología no paran de crecer. Entre ellas pueden citarse: aplicación electrostática de pintura sobre componentes de automóvil, apantallamiento antiestático de las alas de los aviones, conductores transparentes para pantallas flexibles, sensores para medicina, materiales más ligeros y fuertes, energía fotovoltaica, cremas de protección solar y gafas. Según un informe de la OCDE, para el año 2015 el 15% de los productos que se manufacturan incorporarán nanotecnología.

14.1 – Nanotubos de Carbono

Los **nanotubos de carbono** fueron descubiertos a principios de la década de los 90 del siglo pasado. Son tubos cuya sección tiene un diámetro de unos cuantos nanómetros, y una longitud que puede llegar al orden de los milímetros. En cuanto a su estructura, los hay de dos tipos: los de capa única y los de capa múltiple. En los primeros, las paredes del tubo están formados por una fina capa de moléculas de carbono, mientras que los segundos están formados por varias capas concéntricas. Entre sus características destacan las siguientes:

• Sirven como aislantes, semiconductores, conductores y superconductores.
• Tienen una gran elasticidad térmica en la dirección del eje.
• Poseen una alta conductividad térmica en la dirección del eje.
• Son uno de los materiales más duros que se conocen, con una altísima resistencia mecánica muy superior a la del acero.
• Tienen mejor ángulo de visión que los cristales líquidos de las pantallas.
• Son químicamente inertes y biológicamente compatibles.

14.2 – Fabricación de Nanotubos

Existen varios métodos para fabricar nanotubos. Uno consiste en hacer saltar una chispa eléctrica entre dos barras de grafito. Al saltar la chispa, el carbono del grafito se convierte en plasma. Si el conjunto se mantiene a una presión adecuada, parte del carbono derretido se vuelve a condensar en forma de nanotubos. Otro método consiste en bombardear con láser una barra de grafito con lo que también se consigue derretir el carbono y condensarlo después. Actualmente se investiga en nanotubos construidos con otros elementos químicos, como el silicio. Se están usando nanofilamentos de silicio para sustituir al grafito de las baterías de ion-litio. El litio se almacena en una maraña de estos nanofilamentos que son capaces de cuadruplicar su volumen y se espera que las baterías resultantes puedan multiplicar por diez su autonomía.

14.3 – Aplicación a la Medicina

La nanotecnología permitirá construir biosensores, biomateriales y biochips más eficientes que los actuales para el tratamiento de enfermedades como el cáncer y los trastornos cardíacos. Esta nueva generación de dispositivos, que se implantarán en el cuerpo humano podrá liberar fármacos selectivos en lugares predeterminados permitiendo la reparación de tejidos y células dañados. Así, por ejemplo, se podrán administrar fármacos contra células cancerosas que actúen específicamente sobre ellas, sin dañar a las células contiguas. De hecho, actualmente existen ya grupos científicos que han conseguido, mediante nanotecnología, detectar determinados tipos de cáncer en fase muy preliminar, localizarlos con gran precisión y proporcionar tratamientos específicamente dirigidos a las células malignas. Los tratamientos usarán nanopartículas con capacidad para destruir tumores de forma selectiva mediante sustancias químicas. Otro de los objetivos de la nanotecnología, aplicada a medicina, es la síntesis de moléculas complejas, básicas para la vida. Este proceso se hace átomo a átomo y de forma controlada. En un futuro, cuando se depuren estos métodos, la industria farmacéutica dará un paso gigantesco. Las aplicaciones de la nanotecnología a la medicina van a revolucionar el cuidado de la salud, ya que proporcionarán valiosas herramientas para el diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades. Ya se están reformulando algunos conceptos que antes parecían sólidos. Los componentes farmacéuticos fabricados con nanotecnología ofrecen una mayor biodisponibilidad, es decir, el cuerpo humano las puede absorber más fácilmente y con mayor eficacia. A pesar de todas las ventajas enumeradas, es conveniente tomar todas las precauciones que se pueda para evitar que la nanotecnología produzca daños colaterales en las personas y en los seres vivos.

14.4 – Aplicación a la Energía Solar

La energía solar fotovoltaica es muy popular y atractiva, pero tiene un gran inconveniente: el alto coste de fabricación de los paneles solares. La nanotecnología está revolucionando tanto los costes como los porcentajes de rendimiento, por lo que las expectativas generadas sobre futuros paneles son grandes. Asimismo, son muchas las investigaciones que se están realizando sobre las aplicaciones de la nanotecnología a la producción de energía eléctrica, a partir de la luz solar. Recientemente se ha descubierto un nuevo material al que se le ha denominado **nanoflakes**, con capacidad para convertir en electricidad el 30% de la energía lumínica que recibe. Esto significa doblar el rendimiento de los paneles solares actuales. Otra de las líneas de investigación más atractiva es la relacionada con la obtención de pinturas con capacidad para generar electricidad a partir de la energía solar. Estas pinturas incorporan nanopartículas que pueden liberar electrones cuando inciden sobre ellas los fotones de la radiación solar, lo mismo que ocurre durante el proceso de la fotosíntesis que realizan los organismos autótrofos. Estos electrones se analizan mediante los correspondientes conductores, hacia un circuito eléctrico.